CN103308141A - 一种二维四极子指向性水听器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有工作频带可变，可同步共点测量声压、声压梯度和声压二阶梯度的二维四极子指向性水听器。二维四极子指向性水听器，包括二维复合矢量水听器、两个透声盖板，上下两个透声盖板组成二维四极子指向性水听器的框架，二维复合矢量水听器安装于透声盖板之间。透声盖板呈十字形。由四个二维复合矢量水听器分别安装于呈十字形框架的端部。本发明仅利用四只二维复合矢量水听器就可以测量水中的声压、声压梯度两个分量和声压二阶梯度四个分量，结构简单，框架透声性能良好，对水下声场影响较小。复合矢量水听器间距可调，使四极子指向性水听器适用于不同的工作频带。

Description

一种二维四极子指向性水听器

技术领域

本发明涉及一种具有工作频带可变，可同步共点测量声压、声压梯度和声压二阶梯度的二维四极子指向性水听器。

背景技术

四极子指向性水听器是一种能够同步共点测量水中声压、声压梯度以及声压二阶梯度的传感器，水质点的声压梯度与水质点振速、振动的位移和加速度等矢量可以相互换算，水质点的声压二阶梯度则与水质点振速梯度、振动位移梯度和加速度梯度等并矢量可以相互转换。四极子指向性水听器相比矢量水听器具有更尖锐的指向性和更高的指向性指数，其中纵向四极子指向性图的-3dB波束宽度为65°，横向四极子指向性图额-3dB波束宽度为45°，而矢量水听器偶极子指向性图的-3dB波束宽度为90°，四极子指向性水听器组合指向性图（声压、声压梯度及声压二阶梯度加权求和的归一化指向性）的-3dB波束宽度最小可达65°，指向性指数9.5dB，而目前广泛应用的矢量水听器的组合指向性图-3dB波束宽度最小只能达到104°，指向性指数6dB。因此，四极子指向性水听器在目标的探测与定位等领域具有很广阔的应用前景。

目前已公开的具有四极子指向性的水听器并不多见，这类具有高指向性的水听器为了达到测量声压二阶梯度的目的采用了数目众多的传感器，致使水听器结构复杂，可靠性差。另外，采用差分近似原理设计的四极子指向性水听器工作频带受到传感器间距和满足测量误差的限制，导致工作频带较窄。申请号201210414957.1三维水听器虽然简化了传感器的个数，但给水听器提供弹性悬挂的框架结构非常复杂，在水下的散射影响较大，且声波频率越高散射作用越强，因此限制了水听器的上限工作频率。专利号US6697302B1高指向性声接收器，同样简化了传感器数目，但胶状弹性支撑结构密度的不均匀性以及胶体内部可能存在的气泡给水听器周围声场增加了许多不确定性，且水听器整体灌封，内部个别敏感元件损坏无法更换，只能废弃，成本较高。因此，本发明设计制作了一种结构更为简单，水听器工作频带可调，能够同步共点测量水下声压、声压梯度以及声压二阶梯度的二维四极子指向性水听器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构更简单、工作频带更灵活、指向性更为锐化的二维指向性水听器。

本发明的目的是这样实现的：

二维四极子指向性水听器，包括二维复合矢量水听器、两个透声盖板，上下两个透声盖板组成二维四极子指向性水听器的框架，二维复合矢量水听器安装于透声盖板之间。

透声盖板呈十字形。

由四个二维复合矢量水听器分别安装于呈十字形框架的端部。

透声盖板的板体上安装有挂钩，二维复合矢量水听器上也安装有挂钩，二维复合矢量水听器的挂钩与透声盖板的挂钩之间由弹性连接件连接在一起。

透声盖板的板体上均匀分布有可安装挂钩的螺纹孔。

二维四极子指向性水听器的框架由等长双头螺柱和六角法兰面螺母在透声盖板的边缘配合组装构成。

透声盖板的中心有水听器出线通孔，水听器出线通孔的周围均匀分布连接测量系统的螺纹孔。

透声盖板由玻璃增强塑料构成。

本发明的有益效果在于：

本发明仅利用四只二维复合矢量水听器就可以测量水中的声压、声压梯度两个分量和声压二阶梯度四个分量，结构简单，框架透声性能良好，对水下声场影响较小。复合矢量水听器间距可调，使四极子指向性水听器适用于不同的工作频带。

附图说明

图1是二维四极子指向性水听器空间结构图；

图2是二维四极子指向性水听器敏感元件空间分布图；

图3是复合矢量水听器结构示意图；

图4是盖板结构示意图；

图5是二维四极子指向性水听器的组合框架图；

图6是二维四极子指向性水听器的纵向四极子指向性；

图7是二维四极子指向性水听器的横向四极子指向性。

具体实施方式

二维四极子指向性水听器，包括带有声压通道的二维复合矢量水听器和刚性连接的两块透声盖板，将二维复合矢量水听器两两对称悬挂在透声盖板中。

二维复合矢量水听器为4个，其中除了包含两个振速通道还复合了声压通道，以直角坐标系为参考，复合矢量水听器布放于x轴和y轴的两侧，以坐标原点为对称。

同轴向的二维复合矢量水听器的间距远小于声波波长。

盖板由透声性能较好、有一定结构强度的材料制成，例如玻璃增强塑料。

下面结合附图对本发明做进一步描述。

二维四极子指向性水听器15包含二维复合矢量水听器1-4、透声盖板5、等长双头螺柱6、六角法兰面螺母7、弹性元件8和挂钩9，如附图1所示。复合矢量水听器对称分布于直角坐标系的两个轴向，复合矢量水听器具有相同正方向的敏感轴向，如附图2所示。复合矢量水听器1-4如附图3所示，二维复合矢量水听器的敏感轴向正交，可测量两个轴向的振速分量，水听器中部复合了压电陶瓷圆环14，可测量声压，二维复合矢量水听器的挂钩可指示出敏感轴向。二维四极子指向性水听器的盖板如附图4所示，通孔10用于组合式水听器盖板间的刚性连接，螺纹孔11用于固定挂钩9，挂钩固定于盖板的不同螺纹孔可实现同轴向两只二维复合矢量水听器间距的调整。螺纹孔12用于将二维四极子指向性水听器刚性连接在测量系统上，通孔13用于水听器走线。将透声盖板按照附图5所示进行刚性组合连接，再将二维复合矢量水听器通过弹性元件悬挂在框架四臂中，二维四极子指向性水听器14即组合完成。

为了获得水下声场中的声压、质点振速和振速梯度等声场信息，本发明提出了一种二维四极子指向性水听器，由四个二维复合矢量水听器1-4组合而成。复合矢量水听器1和复合矢量水听器2对称分布于x轴坐标原点的两侧，敏感轴向为x、y轴；复合矢量水听器3和复合矢量水听器4对称分布于y轴坐标原点的两侧，敏感轴向为x、y轴，每个轴向上的两只复合矢量水听器间距都为L，为了保证测量精度，应满足L＜＜λ，λ为声波波长，如附图2。

二维四极子指向性水听器还具有如下特点：

（1）复合矢量水听器间距可调节；

（2）复合矢量水听器相同敏感轴向的正方向一致；

（3）复合矢量水听器位于同一平面上；

（4）四极子指向性水听器可刚性连接于其他测量平台。

在实际测量中，参考附图2，二维四极子指向性水听器中心位置O处的声压p由复合矢量水听器的声压通道测量求均值得到，两个振速分量（u_x、u_y）由每个轴向上的两只复合矢量水听器的u_x通道测量求均值得到，四个振速梯度分量

由每个轴向上的两只复合矢量水听器的振速通道测量经过有限差分得到近似值。

根据理想介质中小振幅波的运动方程，则有

${-\mathrm{j\ω\ρ}}_0\left[\begin{array}{c}{u}_x\\ u_y\\ u_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{\∂p}{\∂x}\\ \frac{\∂p}{\∂y}\\ \frac{\∂p}{\∂z}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中ρ₀为介质中没有扰动时的静态密度，

角频率ω=2πf，f为介质中声波的频率，由上式可见，得到介质的质点振速即可得到声压梯度。继续对上式的左右两边求一阶空间偏导数，则有

${-\mathrm{j\ω\ρ}}_0\left[\begin{array}{ccc}\frac{{\∂u}_x}{\∂x}& \frac{{\∂u}_x}{\∂y}& \frac{{\∂u}_x}{\∂z}\\ \frac{{\∂u}_y}{\∂x}& \frac{{\∂u}_y}{\∂y}& \frac{{\∂u}_y}{\∂z}\\ \frac{{\∂u}_z}{\∂x}& \frac{{\∂u}_z}{\∂y}& \frac{{\∂u}_z}{\∂z}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂x}^2}& \frac{\∂}{\∂y}\frac{\∂p}{\∂x}& \frac{\∂}{\∂z}\frac{\∂p}{\∂x}\\ \frac{\∂}{\∂x}\frac{\∂p}{\∂y}& \frac{{\∂}^{2}p}{\∂y^2}& \frac{\∂}{\∂z}\frac{\∂p}{\∂y}\\ \frac{\∂}{\∂x}\frac{\∂p}{\∂z}& \frac{\∂}{\∂y}\frac{\∂p}{\∂z}& \frac{{\∂}^{2}p}{{\∂z}^2}\end{array}\right]---\left(2\right)$

因此，得到介质的振速梯度即可得到声压二阶梯度。

对于二维四极子指向性水听器而言，只能测量式(1)三个振速分量中的两个：

$\left[\begin{array}{c}{u}_x\\ u_y\end{array}\right]---\left(3\right)$

测量式(2)九个振速梯度分量中的四个：

$\left[\begin{array}{cc}\frac{{\∂u}_x}{\∂x}& \frac{{\∂u}_x}{\∂y}\\ \frac{{\∂u}_x}{\∂x}& \frac{{\∂u}_y}{\∂y}\end{array}\right]---\left(4\right)$

下面结合附图2对本发明测量声场的方法作更详细的描述：

二维四极子指向性水听器可以同步共点测量水下声场中的声压、质点振速和振速梯度。利用复合矢量水听器1-4测量二维四极子指向性水听器中心位置O处的声压量p：

$p=\frac{p_1+p_2+p_3+p_4}{4}---\left(5\right)$

质点振速u的两个分量u_x、u_y可由复合矢量水听器1-4利用均值法测量得到：

$\begin{array}{c}{u}_x=\frac{u_{1x}+u_{2x}}{2}\\ u_y=\frac{u_{3y}+u_{4y}}{2}\end{array}---\left(6\right)$

其中，u_1x为复合矢量水听器1测得的质点振速x轴向分量，u_2x为复合矢量水听器2测得的质点振速x轴向分量，u_3y为复合矢量水听器3测得的质点振速y轴向分量，u_4y为复合矢量水听器4测得的质点振速y轴向分量。

对振速梯度的测量利用有限差分近似偏微分的方法：

$\begin{array}{c}\frac{{\∂u}_x}{\∂x}=\frac{u_{1x}-u_{2x}}{L}\\ \frac{{\∂u}_y}{\∂y}=\frac{u_{3y}-u_{4y}}{L}\\ \frac{{\∂u}_x}{\∂y}=\frac{u_{3x}-u_{4x}}{L}\\ \frac{{\∂u}_y}{\∂x}=\frac{u_{1y}-u_{2y}}{L}\end{array}---\left(7\right)$

其中，u_1x、u_2x为复合矢量水听器1、2测得的质点振速x轴向分量，u_1y、u_2y为复合矢量水听器1、2测得的质点振速y轴向分量，u_3x、u_4x为复合矢量水听器3、4测得的质点振速x轴向分量，u_3y、u_4y为复合矢量水听器3、4测得的质点振速y轴向分量，L为同轴向复合矢量水听器的间距。

O点处的质点振速在x轴向分量为

u_x=cosθu₀e^{j(ωt-kxcosθ-kysinθ)}                  (8)

θ为声传播方向与x轴夹角，u₀为振速幅度，k为波数，k=ω/c，ω为角频率，c为水中声速，同理1号复合矢量水听器和2号复合矢量水听器的质点振速分量为

u_1x=cosθu₀e^{j[ωt-k(x+L/2)cosθ-kysinθ]}              (9)

u_2x=cosθu₀e^{j[ωt-k(x-L/2)cosθ-kysinθ]}

O点处的x轴振速分量在x轴向的梯度为

$\frac{{\∂u}_x}{\∂x}={\mathrm{jk}\cos }^2{\mathrm{\θu}}_0{e}^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kx}\cos \mathrm{\θ}-\mathrm{ky}\sin \mathrm{\θ})---\left(10\right)}$

假设1号复合矢量水听器的灵敏度为K₁，2号复合矢量水听器的灵敏度为K₂，那么两只矢量水听器的失配函数可以表示为

$M=\frac{K_1}{K_2}=\mathrm{\μ}---\left(11\right)$

其中，μ为幅度失配因数。复合矢量水听器间的不一致性将对声场测量误差产生影响，引入灵敏度失配的质点振速和振速梯度的测量误差可以表示为

${\mathrm{\ϵ}}_u=\begin{array}{c}{20\log }_{10}\left|\frac{({\mathrm{Mu}}_{1x}+u_{2x})/2}{u_x}\right|\\ ={20\log }_{10}\left|\frac{{\mathrm{\μe}}^{-j(\mathrm{\πL}\cos \mathrm{\θ}/\mathrm{\λ})}+e^{\mathrm{j\πL}\cos \mathrm{\θ}/\mathrm{\λ}}}{2}\right|\end{array}---\left(12\right)$

${{\mathrm{\ϵ}}_u}_g=\begin{array}{c}{20\log }_{10}\left|\frac{({\mathrm{Mu}}_{1x}-u_{2x})/\mathrm{\Δx}}{\∂u_x/{\∂}_x}\right|\\ ={20\log }_{10}\left|\frac{{\mathrm{\μe}}^{-j(\mathrm{\πL}\cos \mathrm{\θ}/\mathrm{\λ})}-e^{\mathrm{j\πL}\cos \mathrm{\θ}/\mathrm{\λ}}}{-2\mathrm{j\π}L\cos \mathrm{\θ}/\mathrm{\π}}\right|\end{array}---\left(13\right)$

其中，λ为声波波长。如果两只矢量水听器的幅度失配|μ|≤1dB，如果要求对各物理量的测量误差绝对值在1dB范围以内，那么满足质点振速测量误差要求时L/λ取值范围：

$0\≤\frac{L}{\mathrm{\λ}}\≤0.11---\left(14\right)$

满足振速梯度测量误差要求时Δx/λ的取值范围：

$0.05\≤\frac{L}{\mathrm{\π}}\≤0.19---\left(15\right)$

结合式(14)和(15)得出同时满足质点振速和振速梯度测量误差要求的Δx/λ取值范围：

$0.05\≤\frac{L}{\mathrm{\λ}}\≤0.11---\left(16\right)$

由于λ=c/f，因此式(16)可以变换为

$\frac{0.05c}{L}<f<\frac{0.11c}{L}---\left(17\right)$

因此可以通过调整同轴向复合矢量水听器的间距来改变四极子指向性水听器的工作频带。

二维四极子指向性水听器的指向性如图6、图7所示，图6为纵向四极子指向性，对应

图7为横向四极子指向性，对应

本发明的优点是：结构更为简单，仅利用四只二维复合矢量水听器测量水下声场中的声压、声压梯度两个分量和声压二阶梯度四个分量。组合水听器框架透声性能良好，没有复杂的组合框架或胶状弹性支撑影响声场的均匀性。同轴向二维复合矢量水听器间距可调，适用于不同工作频带。二维四极子指向性水听器组装简便，盖板的定位孔可以使二维组合式高指向性水听器刚性连接于测量系统上，使用方便。

Claims (8)

1.一种二维四极子指向性水听器，包括二维复合矢量水听器、两个透声盖板，其特征在于：上下两个透声盖板组成二维四极子指向性水听器的框架，二维复合矢量水听器安装于透声盖板之间。

2.根据权利要求1所述的一种二维四极子指向性水听器，其特征在于：所述的透声盖板呈十字形。

3.根据权利要求2所述的一种二维四极子指向性水听器，其特征在于：由四个所述的二维复合矢量水听器分别安装于呈十字形框架的端部。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种二维四极子指向性水听器，其特征在于：所述的透声盖板的板体上安装有挂钩，二维复合矢量水听器上也安装有挂钩，二维复合矢量水听器的挂钩与透声盖板的挂钩之间由弹性连接件连接在一起。

5.根据权利要求4所述的一种二维四极子指向性水听器，其特征在于：所述的透声盖板的板体上均匀分布有可安装挂钩的螺纹孔。

6.根据权利要求5所述的一种二维四极子指向性水听器，其特征在于：所述的二维四极子指向性水听器的框架由等长双头螺柱和六角法兰面螺母在透声盖板的边缘配合组装构成。

7.根据权利要求6所述的一种二维四极子指向性水听器，其特征在于：所述的透声盖板的中心有水听器出线通孔，水听器出线通孔的周围均匀分布连接测量系统的螺纹孔。

8.根据权利要求7所述的一种二维四极子指向性水听器，其特征在于：所述的透声盖板由玻璃增强塑料构成。

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